基于ABAQUS 软件的静压钢板桩有限元模拟分析

李宇航

（广东工业大学，广东 广州510006）

1 概述

桩基础是一种对土质环境适应性较强的建筑基础，其具有久远的历史及较高的承载力，被广泛地应用于高层、桥梁、码头等建筑物中。近年来，随着国家经济的高速发展及城镇化步伐的加快，极大促进了钢板桩在我国的发展和应用。钢板桩作为一种现代基础与地下工程领域的重要工程建设的施工材料，可满足传统水利、土木道路交通工程、环境污染整治及突发性灾害控制等众多工程领域的施工需求[1]。

近年来，随着静压桩技术的广泛应用，静压钢板桩这一施工优势逐渐显现出来。目前，众多学者对静压桩的沉桩机理进行了数值模拟研究，如张吉坤等[2]用ABAQUS 软件建立了静压桩连续贯入土体的有限元模型，探讨了沉桩过程中桩周土体的应力与应变分布特征，得到了贯入阻力随深度变化的规律。郝友超[3]利用ABAQUS 数值模拟软件，对沉桩过程中压桩力、桩端阻力以及桩侧摩阻力随沉桩深度的变化进行了分析，实现了模型桩在砂土内连续贯入的数值仿真。辛翀[4]利用ABAQUS 软件对某工程静压桩进行了数值分析，并将软件处理的结果与实测结果进行了比较。牛永昌[5]借助静压桩的沉桩阻力及承载力时效性的现场实验数据，用ABAQUS 有限元分析软件对静压桩的沉桩阻力、桩端阻力等进行了系统分析研究。

本文结合实际情况，在ABAQUS 平台上，采用Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL)方法，对钢板桩的沉桩过程进行了模拟分析，研究了钢板桩在沉桩过程中沉桩阻力随深度的变化规律，同时，研究了选用不同本构模型对钢板桩沉桩阻力的影响，研究成果对于静压钢板桩的实际施工具有理论指导意义。

2 有限元模型的建立及参数设置

本文在ABAQUS 平台上，采用CEL 法对钢板桩单桩沉桩的过程进行模拟分析。模拟采用总应力法；模拟过程中假定土体为均质连续的弹塑性土体，桩为刚性体；考虑土体初始应力的影响。为简化运算，本文建立二分之一的桩土模型。土体为半径为1m，高6m 的圆柱体，取其一半，桩为长度为6m，沉桩深度为4m。计算简图如图1 所示，桩土计算参数见表1。

模拟时首先要对土体进行地应力平衡，消除位移产生的影响。为此，需要在软件的分析步模块创建initial 和step-1 两个分析步；在initial 分析步中定义土体的边界条件，在step-1 分析步中给土体施加重力荷载，提交作业得到ODB 文件；最后采用平衡效果好的ODB 文件，在载荷模块中带入模型中，进行计算。本文进行地应力平衡后的初始地应力竖向位移达到10-11～10-12满足平衡要求。其次，考虑桩土相互作用发生大变形情况，在软件的相互作用模块设置桩土间的接触形式，桩土之间的切向接触采用罚函数的通用算法，桩土间法向行为采用硬接触算法。最后，划分桩土的网格，对于土体采用模型，网格结构采用50520个单元，单元类型为八节点线性欧拉六面体E3D8R，桩体采用3600 个八结点线性六面体C3D8R 单元。

表1 桩土模型计算参数

图1 桩土模型计算简图

3 不同本构模型对沉桩阻力的影响

3.1 各屈服准则介绍

模拟过程中土体首先采用Mohr-Coulomb 本构模型，得到沉桩阻力随沉桩深度的变化曲线，随后采用DP4、DP5 (M-N)和DP6(L-D)模型进行替换，将所得到结果进行对比分析。具体参数替换方法参照文献[7]所述，替换后的DP4、DP5、DP6 计算参数如表2 所示。

表2 替换后的D-P 模型计算参数

3.2 不同屈服准则下的沉桩阻力随沉桩深度的变化规律

根据替换后的材料参数，建立多个模型，分别采用各D-P屈服准则，将得到的各D-P 屈服准则下的沉桩阻力随深度变化曲线进行整理，如图2 所示。

图2 沉桩阻力随沉桩深度变化曲线

从图2 中可发现，桩体在下沉的过程中，在下沉0-1m 范围内沉桩阻力迅速增大，并在沉桩深度1m 时达到最大值，随着沉桩深度的增加，桩体的沉桩阻力逐渐减小，并在沉桩深度为2m时趋于稳定，最终沉桩阻力值在50kN 左右。这是由于钢板桩为挤土桩，在下沉时需要较大的力才能进入土层，导致1m 左右沉桩阻力较大，随着沉桩深度的持续增加，桩体在单一土层中沉桩阻力逐渐稳定。

通过对比不用屈服准则对沉桩阻力的影响发现，不同屈服准则下的沉桩阻力均有差异，但是各屈服准则下的沉桩阻力随深度变化趋势一致。其中，采用DP4 屈服准则所得到的沉桩阻力接近于采用M-C 屈服准则下的沉桩阻力，DP5(M-N)和DP6(L-D)屈服准则考虑了中主应力的影响，因而所得到的沉桩阻力均大于DP4 和M-C 屈服准则下的沉桩阻力。

4 结论

本文采用ABAQUS 中的CEL 法，并用该方法模拟了钢板桩在单一土层中的沉桩过程，从模拟结果可以看出，钢板桩在沉桩过程中沉桩阻力呈现出先增大后趋于稳定的趋势，最大沉桩阻力在66kN 左右，稳定后的沉桩阻力在50kN 左右。进而说明该方法能够适用于模拟桩土作用，为桩土数值计算打开了新思路。针对不同本构模型对沉桩阻力产生的影响进行了研究，研究结果表明替换不同本构模型后，DP4(等面积圆)屈服准则下的沉桩阻力值接近于采用M-C 准则下的沉桩阻力值，在这几个本构模型中，采用DP6(Lade-Duncan)屈服准则得到的沉桩阻力最大，采用DP5(M-N)屈服准则得到的沉桩阻力值在DP4 和DP6之间，这些模拟结果与理论计算结果相符合。